山大仇吉川、刘宏、周文娟/港中文毛传斌《自然·通讯》：无线电刺激细胞贴片促进创伤性脑损伤修复

创伤性脑损伤是世界范围内导致死亡和残疾的主要原因之一。由于体内神经元无法再生，脑组织自愈合能力非常差，脑损伤后组织会形成空洞或被胶质瘢痕取代。神经干细胞是一种治疗脑损伤的潜在方案，但其在损伤微环境中自发分化为功能神经元比例较低，导致治疗效果受到很大限制。电刺激是治疗神经系统疾病和调控干细胞神经分化的一种有效措施，电刺激可以通过改变细胞膜表面电荷分布、激活膜受体和离子通道促进神经分化。然而，传统的电刺激需要通过导线将电极和输出设备连接，这可能会导致额外的伤害、炎症和感染风险。此外，植入的干细胞在体内处于动态迁移状态，传统电极无法随细胞迁移施加精准刺激。

针对以上问题，山东大学晶体材料国家重点实验室仇吉川教授和刘宏教授团队，联合香港中文大学毛传斌教授和山东大学基础医学院周文娟教授提出使用石墨烯纳米片作为无线电刺激贴片包裹神经干细胞，在变化的磁场驱动下，贴片原位产生电信号来刺激干细胞向神经元分化，实现创伤性脑损伤的有效治疗。相关工作以“Wrapping stem cells with wireless electrical nanopatches for traumatic brain injury therapy“为题发表在Nature Communications。

【文章要点】

在这篇文章中，作者基于电磁感应原理，利用具有良好导电性和生物相容性的石墨烯纳米片作为无线电刺激器。通过吸附层粘连蛋白提高石墨烯纳米片包裹神经干细胞的效率和稳定性。包裹在细胞膜表面后，石墨烯纳米片在变化磁场中原位产生电信号直接刺激细胞膜表面受体，促进神经干细胞向成熟神经元快速分化，进而实现创伤性脑损伤治疗（图1）。

图1| 无线电刺激细胞贴片促进神经干细胞分化和创伤脑组织修复的示意图

作者通过电化学剥离法制备了厚度在2.3 nm左右，尺寸在1.5-5 μm左右的石墨烯纳米片。通过COMSOL模拟和示波器证实石墨烯纳米片可以在变化磁场下产生无线电信号（1.26 mV/mm）。通过荧光共定位和SEM证明了石墨烯纳米片可以包裹在细胞表面并伴随细胞迁移（图2）。细胞实验证明，石墨烯纳米片介导的电刺激可以通过MAPK/ERK信号通路诱导神经干细胞向功能神经元分化，包裹电刺激纳米贴片的干细胞在5天内分化为神经元的比例为41%，未包裹纳米贴片的干细胞只有16.3%分化为神经元。

图2| 无线电刺激贴片制备及其与细胞的相互作用

包裹电刺激纳米贴片的神经干细胞移植到创伤性脑损伤小鼠病灶区后，在周期性磁场治疗下有效分化为新生功能神经元，28天后脑损伤小鼠的脑组织明显修复，行为和认知能力也得到了显著的改善（图3）。

图3| 包裹电刺激纳米贴片的神经干细胞移植促进创伤性脑损伤修复

【结论与展望】

综上所述，作者提出了一种用于治疗创伤性脑损伤等神经损伤和神经退行性疾病的无线电刺激细胞贴片。这种电刺激贴片可以包裹在干细胞表面，并在变化磁场作用下产生电信号原位刺激细胞，促进神经干细胞向功能性神经元分化。该电刺激贴片可以随神经干细胞注射和迁移，因此可以有效作用于植入的干细胞，高效促进损伤脑组织的修复。

原文链接：